壳体对炸药水下爆炸近场特性的影响

李彪彪，王 辉，沈 飞，袁宝慧

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引 言

水下战斗部作为水下武器系统毁伤目标的最终毁伤单元，其毁伤效果不仅与装药能量、目标特性等有关，还与战斗部壳体有关。水下战斗部爆炸时壳体将影响战斗部装药能量释放过程，进而影响战斗部的毁伤效果。因此，能否通过裸装药水下爆炸威力表征实际水下战斗部的爆炸威力有待进一步研究。

目前，国内外针对水下战斗部及其装药能量释放过程开展了大量研究[1-5]，如Akio等[1]采用数值与实验相结合的方法开展了水下爆炸冲击波传播规律的研究；沈飞等[3]对含铝炸药水下滑移爆轰进行了实验研究，分析得到了含铝炸药水下爆炸后冲击波的传播规律与气泡的膨胀规律。上述关于水下战斗部的研究均采用裸装药，尚未有关于带壳装药在水下的能量释放过程的报道，而在实际使用过程中，炸药被装填于战斗部壳体中，进而实现对目标的毁伤，因而需要深入研究壳体对水下战斗部装药能量释放过程和毁伤效果的影响。

本研究采用带壳装药与裸装药进行水下爆炸试验，并采用超高速扫描技术与阴影摄影技术观察带圆柱壳体装药的水下爆炸过程，并与裸装药水下爆炸过程对比，分析壳体对水下战斗部装药能量释放的影响，以期为水下战斗部的设计提供参考。

1 实 验

1.1 实验装置

采用SJZ-15型高速扫描相机拍摄带壳装药爆炸过程中冲击波的传播历程、壳体的膨胀历程与裸装药爆炸过程中冲击波的传播历程和气泡的膨胀历程，实验布局如图1所示。

图1 水下爆炸实验布局图Fig.1 Layout of underwater explosion experiment

1.2 水下爆炸实验

1.2.1 带壳装药水下爆炸实验

将12节Φ25mm×25mm的TNT药柱装在一根内径为25mm、外径为30.12mm、长为300mm的无氧铜管中，并通过铁丝吊装于水箱中，装药一端用Φ25mm×25mm的JH14药柱起爆，将氩气弹安装于透明水箱的后方，用氩气弹发出的强光作为背景光源，扫描相机狭缝对准距起爆点200mm的位置上。带壳装药水下爆炸后，在一定时间内壳体未发生破裂，能够遮挡氩气弹所发出的强光，但壳体两侧的强光透过水层便可在扫描底片中留下壳体膨胀的轨迹。

1.2.2 裸装药水下爆炸实验

将12节Φ25mm×25mm的TNT药柱通过透明胶带固定为一体，然后按照上述带壳装药水下爆炸实验步骤进行实验。裸炸药在水中爆炸后，由于爆轰产物中含有大量游离态的碳等，光无法透过爆轰产物，同样可在扫描底片中记录到爆轰产物气泡的膨胀轨迹。且在水下爆炸实验中，由于爆炸冲击波会压缩其所到之处的水层，受压缩的水层透光率极低，背景光源发出的亮光被冲击波所压缩的水层阻挡，进而可在扫描底片中记录到冲击波的传播迹线[6-7]。

2 结果与讨论

2.1 带壳体装药与裸药柱冲击波迹线分析

水下带壳装药爆炸冲击波传播历程与圆筒膨胀历程的扫描底片如图2(a)所示，水下裸装药爆炸冲击波传播历程与气泡膨胀历程的扫描底片如图2(b)所示，扫描底片中横向表示时间，纵向表示圆筒与气泡的膨胀距离以及冲击波的传播距离。

图2 实验扫描底片Fig.2 Experimental scanning negative

由图2(a)可看出，带壳装药扫描底片获得了两条迹线，其中运动速率较快的迹线为冲击波在水中的传播迹线，运动速率较慢的为壳体膨胀的迹线；图2(b)扫描底片中同样获得了两条迹线，其中运动速率较快的迹线为冲击波在水中的传播迹线，运动速率较慢的为爆轰产物气泡膨胀的迹线。

通过专用的判读仪(CARLZEISS JENA，DDR，MADE IN GERMANY)对图2中的扫描底片进行判读，并结合图像的放大比和高速扫描相机的转速可得到带壳体装药与裸装药爆炸过程中冲击波传播迹线的一系列数据点，并通过该数据点对冲击波传播迹线进行拟合。

对水下带壳装药爆炸过程中冲击波的传播轨迹拟合，由于其传播迹线近似为一条直线，因此拟采用线性函数对其径向拟合，其迹线的斜率(冲击波传播速度)约为2.3mm/μs，而对水下裸装药爆炸过程中冲击波传播迹线，采用公式(1)所示的非线性函数[3]进行拟合：

(1)

式中：y为冲击波径向传播的距离，mm；t为传播时间，μs；c0为水下声速，1.483mm/μs；拟合参数的值为A1=1.286mm，B1=0.2282μs-1，A2=-1.183mm，B2=-0.0731μs-1，拟合后水下冲击波的传播迹线如图3所示。

图3 冲击波传播距离随时间变化的曲线Fig.3 Change curves of the propagation distance of shock wave with time

将公式(1)对t求导，获得裸装药水下冲击波传播速率随时间t的变化规律，如公式(2)所示：

(2)

冲击波传播速率与冲击波波后粒子速度存在如下关系[3]：

Ds=1.483+25.306lg(1+up/5.19)

(3)

根据冲击波的动量守恒方程，可得公式(4)所示冲击波波阵面压力与冲击波传播速率、冲击波波后粒子速度之间的关系：

p=ρwDsup

(4)

式中：p为冲击波波阵面压力，GPa；ρw=1.0g/cm3为水的密度；Ds为冲击波传播速度，mm/μs；up为冲击波波后粒子速度，mm/μs。

结合公式(2)、(3)、(4)即可获得带壳装药与裸装药水下爆炸近场范围内冲击波波阵面的压力随传播距离的变化曲线，如图4所示。

图4 冲击波波阵面压力随传播距离的变化曲线Fig.4 Change curves of the shock wave front pressure with propagation distance

由图4可知，裸装药水下爆炸冲击波的初始波阵面压力较高(约为8.5GPa)，因此其在水介质传播过程中快速衰减。带壳装药水下爆炸冲击波的初始波阵面压力仅为0.9GPa，且传播距离较短，因此其在水介质传播过程中衰减作用不够明显。裸装药爆炸冲击波在水下传播的过程中，当传播距离达到35mm时，冲击波波阵面压力下降至2GPa，而带壳装药的冲击波波阵面压力近似保持不变。

根据公式(1)和(2)可得到图5所示的带壳装药与裸装药水下爆炸近场范围内冲击波传播速度随传播距离的变化曲线。

图5 冲击波传播速度随传播距离的变化曲线Fig.5 Change curves of the propagation velocity of shock wave with propagation distance

由图5可知，裸装药水下爆炸冲击波的径向初始传播速度约为4.75mm/μs，带壳装药水下爆炸冲击波的径向初始传播速度约为2.314mm/μs；裸装药爆炸冲击波在水下传播的过程中，其径向的传播速度随着传播距离的增加不断下降，当冲击波传播距离达到25mm时，冲击波传播速度降至3mm/μs，而带壳装药的径向传播速度近似保持不变。

2.2 冲击波在不同介质中的传播机理分析

带壳装药爆炸后产生的爆炸冲击波首先作用于外部壳体，然后通过壳体作用于水介质，而裸药柱爆炸后产生的爆炸冲击波将直接作用于水介质。由于该过程时间较短、传播距离较近，因而在该过程的分析中忽略应力波的衰减。为了分析应力波在不同介质之间传播时的应力变化，首先需描述炸药爆轰产物作用过程中的p(u)曲线、铜壳体与水介质的p(u)曲线。在炸药爆炸驱动圆筒膨胀的过程中，主要依靠爆轰产物的侧向作用力驱动圆筒，则爆轰产物的p(u)曲线可根据公式(5)[8]获得：

(5)

式中：pCJ=ρ0D2/(γ+1)，ρ0和D分别为炸药密度和爆速，TNT炸药的多方指数γ=2.727。铜和水的p(u)曲线如公式(6)所示，公式(6)中ρ、c0和λ分别为铜与水的密度、声速及冲击雨共纽参数，其具体的数值如表1[8]所示。

p=ρu(c0+λu)

(6)

表1 材料参数[8]Table 1 Material parameters[8]

图6为冲击波在不同介质中的传播过程示意图，其中，3条实线分别表示TNT爆轰产物的等熵线及铜壳体、水介质的p(u)曲线，爆轰产物的等熵线与金属壳体材料p(u)曲线的交点A的坐标为金属壳体材料中的入射冲击波压力和波阵面后的粒子速度，金属壳体与外部介质间冲击波传递的路径主要沿冲击材料在交点A的反演线(如图中虚线所示)，反演线与水介质p(u)曲线的交点B的坐标为水介质中的入射冲击波压力和波阵面后的粒子速度，爆轰产物的等熵线与水介质的p(u)曲线的交点C的坐标为裸药柱爆轰后水介质中的入射冲击波压力和波阵面后的粒子速度。

图6 冲击波在不同介质中的传播过程示意图Fig.6 Diagram of propagation process of shock waves in different media

通过图6可以发现，由于外部铜壳体的p(u)曲线处于水的p(u)曲线的上方，因此交点B的横纵坐标必定小于交点C的横纵坐标，交点的横纵坐标表示水下入射波波阵面的压力与波后的粒子速度，因此带壳装药爆炸后传入水下冲击波的强度必定小于裸装药爆炸后传入水下冲击波的强度。通过实验所得的数据分析与理论分析均可得到相似的结论，即外部壳体衰减了传入水下的冲击波，经壳体衰减后传入水下的冲击波波阵面压力仅为直接传入水下的冲击波波阵面压力的10%。

2.3 带壳装药壳体膨胀迹线与裸药柱气泡膨胀迹线分析

通过专用的判读仪(CARLZEISS JENA，DDR，MADE IN GERMANY)对图2中的实验扫描底片中运动速度较慢的迹线进行判读，并结合图像的放大比和高速扫描相机的转速可得到带壳装药壳体膨胀迹线与裸装药气泡膨胀迹线的一系列数据点，并通过该数据点对壳体与气泡的膨胀迹线进行拟合。

对水下带壳装药爆炸过程中壳体轨迹与水下裸装药爆炸过程中气泡的膨胀迹线，采用公式(7)所示的非线性函数[4]进行拟合：

y=a1+a2t+a3exp(a4t)

(7)

式中：y为壳体或气泡的膨胀距离，mm；t为膨胀时间，μs。拟合参数值如表2所示，拟合后的水下圆筒膨胀迹线与气泡膨胀迹线如图7所示。

表2 膨胀迹线拟合参数Table 2 Fitting parameters of expansion trace

图7 带壳装药和裸装药径向膨胀迹线Fig.7 Radial expansion traces of charge with and without shell

将式(7)对ΔR求导，获得水下壳体与气泡的膨胀速率随时间的变化曲线，如式(8)所示，图8为水下壳体与气泡的膨胀速率随膨胀时间的变化曲线。

u=a2+a3a4·exp(a4t)

(8)

图8 膨胀速率随时间的变化曲线Fig.8 Change curves of the expansion velocity with time

由图8可知，裸装药水下爆炸后气泡的膨胀速率在初始时刻迅速上升至0.92mm/μs，然后在30μs内不断下降至0.34mm/μs；带壳装药水下爆炸后壳体的膨胀速率在初始时刻迅速上升至0.78mm/μs，然后在50μs内逐渐下降至0.25mm/μs，且在5～20μs壳体的径向膨胀速率大于气泡的膨胀速率。

为更加详细分析壳体与气泡径向膨胀速率的变化过程，将其分为初期(0～5μs)、中期(5～20μs)和后期(20μs以后)3个阶段。在初期主要依靠冲击波来加速壳体[9-10]，根据图6可知，虽然壳体明显降低了装药爆炸后传入水中的冲击波强度，但其传入水中的冲击波能仍不可忽略，因此用于加速壳体的冲击能量仅为爆炸初始冲击能量的一部分，而裸装药水下爆炸后冲击波直接作用于水介质，因此在水下爆炸初期气泡的径向膨胀速率大于壳体的径向膨胀速率。水下爆炸中期，由于冲击波在水中快速衰减，在外部水介质的约束下，裸装药爆炸后气泡的膨胀速率迅速下降，而带壳装药由于冲击波能够在壳体中不断地反射，进而推动壳体的径向膨胀，因此，在水下爆炸的中期，壳体的径向膨胀速率大于气泡的径向膨胀速率。在水下爆炸的后期，主要是依靠爆轰产物的膨胀力去推动壳体与水介质，此时壳体对爆轰产物膨胀的约束作用不可忽略，带壳装药水下爆炸需考虑壳体膨胀与形变所需要的能量，而裸装药水下爆炸仅需推动水径向膨胀所需的能量，因而在水下爆炸的后期，气泡的径向膨胀速率将大于壳体的径向膨胀速率。

3 结 论

(1)由于壳体的衰减作用，带壳装药水下爆炸传入水下的冲击波强度约为裸装药水下爆炸传入水下的冲击波强度的1/10，且随着传播距离的增加，裸装药爆炸所产生的冲击波在水下以指数形式迅速衰减，而带壳装药爆炸所产生的冲击波衰减较为缓慢。

(2)水下爆炸初期，壳体影响了装药爆炸初始冲击能量的分配，导致裸装药爆炸后气泡的膨胀速率大于带壳装药爆炸壳体的膨胀速率；中期，由于壳体中应力波的加速作用，使得带壳装药爆炸壳体的膨胀速率大于裸装药爆炸后气泡的膨胀速率；后期，壳体与气泡的膨胀主要依靠爆轰产物，壳体对爆轰产物膨胀的约束作用不可忽略，因而裸装药爆炸后气泡的膨胀速率大于带壳装药爆炸壳体的膨胀速率。